Survey on wireless technology trade-offs for the industrial internet of things

Aside from vast deployment cost reduction, Industrial Wireless Sensor and Actuator Networks (IWSAN) introduce a new level of industrial connectivity. Wireless connection of sensors and actuators in industrial environments not only enables wireless monitoring and actuation, it also enables coordination of production stages, connecting mobile robots and autonomous transport vehicles, as well as localization and tracking of assets. All these opportunities already inspired the development of many wireless technologies in an effort to fully enable Industry 4.0. However, different technologies significantly differ in performance and capabilities, none being capable of supporting all industrial use cases. When designing a network solution, one must be aware of the capabilities and the trade-offs that prospective technologies have. This paper evaluates the technologies potentially suitable for IWSAN solutions covering an entire industrial site with limited infrastructure cost and discusses their trade-offs in an effort to provide information for choosing the most suitable technology for the use case of interest. The comparative discussion presented in this paper aims to enable engineers to choose the most suitable wireless technology for their specific IWSAN deployment

Estimation and stability of nonlinear control systems under intermittent information with applications to multi-agent robotics

This dissertation investigates the role of intermittent information in estimation and control problems and applies the obtained results to multi-agent tasks in robotics. First, we develop a stochastic hybrid model of mobile networks able to capture a large variety of heterogeneous multi-agent problems and phenomena. This model is applied to a case study where a heterogeneous mobile sensor network cooperatively detects and tracks mobile targets based on intermittent observations. When these observations form a satisfactory target trajectory, a mobile sensor is switched to the pursuit mode and deployed to capture the target. The cost of operating the sensors is determined from the geometric properties of the network, environment and probability of target detection. The above case study is motivated by the Marco Polo game played by children in swimming pools. Second, we develop adaptive sampling of targets positions in order to minimize energy consumption, while satisfying performance guarantees such as increased probability of detection over time, and no-escape conditions. A parsimonious predictor-corrector tracking filter, that uses geometrical properties of targets\u27 tracks to estimate their positions using imperfect and intermittent measurements, is presented. It is shown that this filter requires substantially less information and processing power than the Unscented Kalman Filter and Sampling Importance Resampling Particle Filter, while providing comparable estimation performance in the presence of intermittent information. Third, we investigate stability of nonlinear control systems under intermittent information. We replace the traditional periodic paradigm, where the up-to-date information is transmitted and control laws are executed in a periodic fashion, with the event-triggered paradigm. Building on the small gain theorem, we develop input-output triggered control algorithms yielding stable closed-loop systems. In other words, based on the currently available (but outdated) measurements of the outputs and external inputs of a plant, a mechanism triggering when to obtain new measurements and update the control inputs is provided. Depending on the noise environment, the developed algorithm yields stable, asymptotically stable, and Lp-stable (with bias) closed-loop systems. Control loops are modeled as interconnections of hybrid systems for which novel results on Lp-stability are presented. Prediction of a triggering event is achieved by employing Lp-gains over a finite horizon in the small gain theorem. By resorting to convex programming, a method to compute Lp-gains over a finite horizon is devised. Next, we investigate optimal intermittent feedback for nonlinear control systems. Using the currently available measurements from a plant, we develop a methodology that outputs when to update the control law with new measurements such that a given cost function is minimized. Our cost function captures trade-offs between the performance and energy consumption of the control system. The optimization problem is formulated as a Dynamic Programming problem, and Approximate Dynamic Programming is employed to solve it. Instead of advocating a particular approximation architecture for Approximate Dynamic Programming, we formulate properties that successful approximation architectures satisfy. In addition, we consider problems with partially observable states, and propose Particle Filtering to deal with partially observable states and intermittent feedback. Finally, we investigate a decentralized output synchronization problem of heterogeneous linear systems. We develop a self-triggered output broadcasting policy for the interconnected systems. Broadcasting time instants adapt to the current communication topology. For a fixed topology, our broadcasting policy yields global exponential output synchronization, and Lp-stable output synchronization in the presence of disturbances. Employing a converse Lyapunov theorem for impulsive systems, we provide an average dwell time condition that yields disturbance-to-state stable output synchronization in case of switching topology. Our approach is applicable to directed and unbalanced communication topologies.\u2

Distributed Estimation Using Partial Knowledge about Correlated Estimation Errors

Sensornetzwerke werden in vielen verschiedenen Anwendungen, z. B. zur Überwachung des Flugraumes oder zur Lokalisierung in Innenräumen eingesetzt. Dabei werden Sensoren häufig räumlich verteilt, um eine möglichst gute Abdeckung des zu beobachtenden Prozesses zu ermöglichen. Sowohl der Prozess als auch die Sensormessungen unterliegen stochastischem Rauschen. Daher wird oftmals eine Zustandsschätzung, z. B. durch ein Kalmanfilter durchgeführt, welcher die Unsicherheiten aus dem Prozess- und Messmodel systematisch berücksichtigt. Die Kooperation der individuellen Sensorknoten erlaubt eine verbesserte Schätzung des Systemzustandes des beobachteten Prozesses. Durch die lokale Verarbeitung der Sensordaten direkt in den Sensorknoten können Sensornetzwerke flexibel und modular entworfen werden und skalieren auch bei steigender Anzahl der Einzelkomponenten gut. Zusätzlich werden Sensornetzwerke dadurch robuster, da die Funktionsfähigkeit des Systems nicht von einem einzigen zentralen Knoten abhängt, der alle Sensordaten sammelt und verarbeitet. Ein Nachteil der verteilten Schätzung ist jedoch die Entstehung von korrelierten Schätzfehlern durch die lokale Verarbeitung in den Filtern. Diese Korrelationen müssen systematisch berücksichtigt werden, um genau und zuverlässig den Systemzustand zu schätzen. Dabei muss oftmals ein Kompromiss zwischen Schätzgenauigkeit und den begrenzt verfügbaren Ressourcen wie Bandbreite, Speicher und Energie gefunden werden. Eine zusätzliche Herausforderung sind unterschiedliche Netzwerktopologien sowie die Heterogenität lokaler Informationen und Filter, welche das Nachvollziehen der individuellen Verarbeitungsschritte innerhalb der Sensorknoten und der korrelierten Schätzfehler erschweren. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Fusion von Zustandsschätzungen verteilter Sensorknoten. Speziell wird betrachtet, wie korrelierte Schätzfehler entweder vollständig oder teilweise gelernt werden können, um eine präzisere und weniger unsichere fusionierte Zustandsschätzung zu erhalten. Um Wissen über korrelierte Schätzfehler zu erhalten, werden in dieser Arbeit sowohl analytische als auch simulations-basierte Ansätze verfolgt. Eine analytische Berechnung der Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen ist möglich, wenn alle Verarbeitungsschritte und Parameter der lokalen Filter bekannt sind. Dadurch kann z. B. ein zentraler Fusionsknoten die die Korrelation zwischen den Schätzfehlern rekonstruieren. Dieses zentralisierte Vorgehen ist jedoch oft sehr aufwendig und benötigt entweder eine hohe Kommunikationsrate oder Vorwissen über die lokale Verarbeitungsschritte und Filterparameter. Daher wurden in den letzten Jahren zunehmend dezentrale Methoden zur Rekonstruktion von Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen erforscht. In dieser Arbeit werden Methoden zur dezentralen Nachverfolgung und Rekonstruktion von korrelierten Schätzfehlern diskutiert und weiterentwickelt. Dabei basiert der erste Ansatz auf der Verwendung deterministischer Samples und der zweite auf der Wurzelzerlegung korrelierter Rauschkovarianzen. Um die Verwendbarkeit dieser Methoden zu steigern, werden mehrere wichtige Erweiterungen erarbeitet. Zum Einen schätzen verteilte Sensorknoten häufig den Zustand desselben Systems. Jedoch unterscheiden sie sich in ihrer lokalen Berechnung, indem sie unterschiedliche Zustandsraummodelle nutzen. Ein Beitrag dieser Arbeit ist daher die Verallgemeinerung dezentraler Methoden zur Nachverfolgung in unterschiedlichen (heterogenen) Zustandsräumen gleicher oder geringerer Dimension, die durch lineare Transformationen entstehen. Des Weiteren ist die Rekonstruktion begrenzt auf Systeme mit einem einzigen zentralen Fusionsknoten. Allerdings stellt die Abhängigkeit des Sensornetzwerkes von einem solchen zentralen Knoten einen Schwachpunkt dar, der im Fehlerfall zum vollständigen Ausfall des Netzes führen kann. Zudem verfügen viele Sensornetzwerke über komplexe und variierende Netzwerktopologien ohne zentralen Fusionsknoten. Daher ist eine weitere wichtige Errungenschaft dieser Dissertation die Erweiterung der Methodik auf die Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler unabhängig von der genutzten Netzwerkstruktur. Ein Nachteil der erarbeiteten Algorithmen sind die wachsenden Anforderungen an Speicherung, Verarbeitung und Kommunikation der zusätzlichen Informationen, welche für die vollständige Rekonstruktion notwendig sind. Um diesen Mehraufwand zu begrenzen, wird ein Ansatz zur teilweisen Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler erarbeitet. Das resultierende partielle Wissen über korrelierte Schätzfehler benötigt eine konservative Abschätzung der Unsicherheit, um genaue und zuverlässige Zustandsschätzungen zu erhalten. Es gibt jedoch Fälle, in denen keine Rekonstruktion der Korrelationen möglich ist oder es eine Menge an möglichen Korrelationen gibt. Dies ist zum Einen der Fall, wenn mehrere Systemmodelle möglich sind. Dies führt dann zu einer Menge möglicher korrelierter Schätzfehler, beispielsweise wenn die Anzahl der lokalen Verarbeitungsschritte bis zur Fusion ungewiss ist. Auf der anderen Seite ist eine Rekonstruktion auch nicht möglich, wenn die Systemparameter nicht bekannt sind oder die Rekonstruktion aufgrund von begrenzter Rechenleistung nicht ausgeführt werden kann. In diesem Fall kann ein Simulationsansatz verwendet werden, um die Korrelationen zu schätzen. In dieser Arbeit werden Ansätze zur Schätzung von Korrelationen zwischen Schätzfehlern basierend auf der Simulation des gesamten Systems erarbeitet. Des Weiteren werden Ansätze zur vollständigen und teilweisen Rekonstruktion einer Menge korrelierter Schätzfehler für mehrere mögliche Systemkonfigurationen entwickelt. Diese Mengen an Korrelationen benötigen entsprechende Berücksichtigung bei der Fusion der Zustandsschätzungen. Daher werden mehrere Ansätze zur konservativen Fusion analysiert und angewendet. Zuletzt wird ein Verfahren basierend auf Gaußmischdichten weiterentwickelt, dass die direkte Verwendung von Mengen an Korrelationen ermöglicht. Die in dieser Dissertation erforschten Methoden bieten sowohl Nutzern als auch Herstellern von verteilten Schätzsystemen einen Baukasten an möglichen Lösungen zur systematischen Behandlung von korrelierten Schätzfehlern. Abhängig von der Art und den Umfang des Wissens über Korrelationen, der Kommunikationsbandbreite sowie der gewünschten Qualität der fusionierten Schätzung kann eine Methode passgenau aus den beschriebenen Methoden zusammengesetzt und angewendet werden. Die somit geschlossene Lücke in der Literatur eröffnet neue Möglichkeiten für verteilte Sensorsysteme in verschiedenen Anwendungsgebieten

Adoption of vehicular ad hoc networking protocols by networked robots

This paper focuses on the utilization of wireless networking in the robotics domain. Many researchers have already equipped their robots with wireless communication capabilities, stimulated by the observation that multi-robot systems tend to have several advantages over their single-robot counterparts. Typically, this integration of wireless communication is tackled in a quite pragmatic manner, only a few authors presented novel Robotic Ad Hoc Network (RANET) protocols that were designed specifically with robotic use cases in mind. This is in sharp contrast with the domain of vehicular ad hoc networks (VANET). This observation is the starting point of this paper. If the results of previous efforts focusing on VANET protocols could be reused in the RANET domain, this could lead to rapid progress in the field of networked robots. To investigate this possibility, this paper provides a thorough overview of the related work in the domain of robotic and vehicular ad hoc networks. Based on this information, an exhaustive list of requirements is defined for both types. It is concluded that the most significant difference lies in the fact that VANET protocols are oriented towards low throughput messaging, while RANET protocols have to support high throughput media streaming as well. Although not always with equal importance, all other defined requirements are valid for both protocols. This leads to the conclusion that cross-fertilization between them is an appealing approach for future RANET research. To support such developments, this paper concludes with the definition of an appropriate working plan

A Survey on Aerial Swarm Robotics

The use of aerial swarms to solve real-world problems has been increasing steadily, accompanied by falling prices and improving performance of communication, sensing, and processing hardware. The commoditization of hardware has reduced unit costs, thereby lowering the barriers to entry to the field of aerial swarm robotics. A key enabling technology for swarms is the family of algorithms that allow the individual members of the swarm to communicate and allocate tasks amongst themselves, plan their trajectories, and coordinate their flight in such a way that the overall objectives of the swarm are achieved efficiently. These algorithms, often organized in a hierarchical fashion, endow the swarm with autonomy at every level, and the role of a human operator can be reduced, in principle, to interactions at a higher level without direct intervention. This technology depends on the clever and innovative application of theoretical tools from control and estimation. This paper reviews the state of the art of these theoretical tools, specifically focusing on how they have been developed for, and applied to, aerial swarms. Aerial swarms differ from swarms of ground-based vehicles in two respects: they operate in a three-dimensional space and the dynamics of individual vehicles adds an extra layer of complexity. We review dynamic modeling and conditions for stability and controllability that are essential in order to achieve cooperative flight and distributed sensing. The main sections of this paper focus on major results covering trajectory generation, task allocation, adversarial control, distributed sensing, monitoring, and mapping. Wherever possible, we indicate how the physics and subsystem technologies of aerial robots are brought to bear on these individual areas

Distributed estimation over a low-cost sensor network: a review of state-of-the-art

Proliferation of low-cost, lightweight, and power efficient sensors and advances in networked systems enable the employment of multiple sensors. Distributed estimation provides a scalable and fault-robust fusion framework with a peer-to-peer communication architecture. For this reason, there seems to be a real need for a critical review of existing and, more importantly, recent advances in the domain of distributed estimation over a low-cost sensor network. This paper presents a comprehensive review of the state-of-the-art solutions in this research area, exploring their characteristics, advantages, and challenging issues. Additionally, several open problems and future avenues of research are highlighted

A Review of Wireless Sensor Networks with Cognitive Radio Techniques and Applications

The advent of Wireless Sensor Networks (WSNs) has inspired various sciences and telecommunication with its applications, there is a growing demand for robust methodologies that can ensure extended lifetime. Sensor nodes are small equipment which may hold less electrical energy and preserve it until they reach the destination of the network. The main concern is supposed to carry out sensor routing process along with transferring information. Choosing the best route for transmission in a sensor node is necessary to reach the destination and conserve energy. Clustering in the network is considered to be an effective method for gathering of data and routing through the nodes in wireless sensor networks. The primary requirement is to extend network lifetime by minimizing the consumption of energy. Further integrating cognitive radio technique into sensor networks, that can make smart choices based on knowledge acquisition, reasoning, and information sharing may support the network's complete purposes amid the presence of several limitations and optimal targets. This examination focuses on routing and clustering using metaheuristic techniques and machine learning because these characteristics have a detrimental impact on cognitive radio wireless sensor node lifetime